机电一体化系统设计第三章

1、机电一体化系统设计第三章 信息接口设计 本章主要学习内容：第一节 接口概述第二节 典型人机接口设计方法第三节 典型机电接口设计方法重点了解典型人机接口和机电接口设计方法一、接口的重要性 （唐4） 机电系统的五大结构要素组成之间要靠接口有机地构成一个整体 。机电一体化产品设计的主要内容就在各基础系统之间设计合适的接口，接口性能直接影响系统的性能。第一节 接口概述二、接口的分类 在五大结构要素之间存在三种接口：信息接口、物理接口、机械接口；在广义接口概念中，凡是要素之间的连接方式和元件都属于接口的范畴。（张P9） 接口的分类如下：按接口的转换特性分：有零接口、无源接口、有源接口、智能接口。根据接口

2、的输入输出功能分：机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。如果把计算机作为中心的信息交换接口有人机接口和机电接口。二、接口的分类（续） 以控制器为中心的接口分类实际上就是包括了连接传感器和执行元件的信息接口，而传感器和执行元件正是连接电子系统和机械系统的关键，有了它们机和电才能结合在一起，成为机电一体化系统。下面这张图是机电一体化系统的另一种表达方式。三、关于人机接口和机电接口的进一步理解看一些实际的系统：1、数控铣床三、关于人机接口和机电接口的进一步理解（续）2、数控雕刻机机电一体化系统设计第三章 信息接口设计 本章主要学习内容：第一节 接口概述第二节 典型人机接口设计方法第三节 典型机电接

3、口设计方法重点了解典型人机接口和机电接口设计方法本节主要学习内容：一、人机接口的特点二、人机接口中设备及信号形式三、人机接口的输入接口设计方法四、人机接口的输出接口设计方法重点掌握典型人机接口输入/输出接口的设计方法第二节 人机接口设计一、人机接口的特点 人机接口是操作者与机电系统之间的信息交换接口，操作者的指令要通过输入元件经输入接口输入计算机，机电系统的工作状态信息由计算机通过输出接口送给输出元件显示、记录等。 人机接口的形式取决于所用的人机接口中的输入输出设备，不同的设备和软件的结合构成不同的人机界面。一、人机接口的特点（续） 因此人机接口有自身的特点：1、专用性 要根据每个机电系统的功

4、能和操作方法设计2、低速性 和计算机工作速度相比，人机接口元件的工作速度低，加之人的操作速度更低，因此需要根据这一特点匹配速度。3、高性能价格比 人机接口设备大多性能优、功能强，但价格低。 对人机接口的设计要求是：新颖、宜人（符合人机工程所遵行的设计规律）、操作方便、工作可靠、经济性好。本节主要学习内容：一、人机接口的特点二、人机接口中设备及信号形式三、人机接口的输入接口设计方法四、人机接口的输出接口设计方法重点掌握典型人机接口输入/输出接口的设计方法第二节 人机接口设计二、人机接口的输入输出设备（元件）及其信号类型1 人机接口的输入设备及其信号类型1)输入设备 开关(按钮、单位、多位）、键盘

5、、BCD码 拨码盘、电位器等。2)输入设备的信号类型开关、按钮、键类的输入设备 由于它们的工作状态仅为通、断两种状态，把这两种状态转换成电路信号对应高、低电平，因此这类信号称作二值量信号。拨码盘 BCD码的拨码盘给出四位二进制表示的十进制数，称作数字信号。多个按键组成键盘也是数字信号。电位器给出的是连续的电压信号称作模拟信号。(3) 输出设备 人机接口的输出设备有 指示灯、数码显示器、图形显示器、微型打印机、蜂鸣器等。（4）输出设备的信号形式输出设备的信号形式是指计算机输出什么信号才能使输出设备工作。指示灯、蜂鸣器需要二值量信号。数码显示器、图形显示器、微型打印机需要数字量信号。本节主要学习内

6、容：一、人机接口的特点二、人机接口中设备及信号形式三、人机接口的输入接口设计方法四、人机接口的输出接口设计方法重点掌握典型人机接口输入/输出接口的设计方法第二节 人机接口设计三、人机接口的输入接口设计1、开关输入接口设计（二值量信号接口） 接口的内容：开关的状态转换成电信号、电平匹配、开关信号的消抖、接口口线确定、信号输入程序设计。 a）开关状态转换成电信号b）电平匹配输入计算机口线的信号电平是有一定要求的，对采用5V电源的计算机电路，输入的高电平（也就是逻辑“1”）基本在2-5V，低电平（逻辑“0”）在0V-2V。因此，输入计算机电路的信号必须转换成在上述范围内。b）电平匹配（续）电平转换电

7、路：c）消除开关抖动 开关、按键在状态变化的瞬间由于是机械动作，会产生抖动，其抖动的波形如下图所示：消抖的方法有两种：硬件消抖和软件消抖硬件消抖-采用消抖电路，典型消抖电路是双稳态触发器软件消抖-利用延时程序，在开关稳定时再输入开关状态。软件消抖是一种简便、常用的方法。d）计算机口线确定 开关量（二值量）输入计算机一般接入计算机的普通I/O（输入/输出）接口，也就是一般用途的I/O接口。d）计算机口线确定（续）输入扩展的接口芯片：DB 为数据总线，AB为地址总线，CB为控制总线 e）信号输入程序 信号进入计算机的目的是要计算机根据输入信号判断开关状态。首先在信号进入计算机口线前确定信号高、低

8、电平（逻辑“1”、逻辑“0”）所对应的开关状态。 如下图：按钮SB断开输入P1.0口的是逻辑“1”，按钮SB闭合输入P1.0口的是逻辑“0”。e）信号输入程序（续） SHURU: JB P1.0，DUANKAI BIHE： . . SJMP SHURUDUANKAI: . SJMP SHURU 以上开关量输入计算机的 a)e)接口设计过程适用于大部分开关量的接口设计，特别是带有光电耦合器的电平转换电路的方式适用于机电接口中的开关量输入接口。2、拨码盘输入接口设计 a) 拨码盘输出形式(BCD码) 拨码盘是一种十进制（用四位二进制数表示的十进制数）的输入器件，每一个拨码盘输出一位十进制数，把多个

9、拨码盘组合在一起就可以表达多位十进制数。特点是直观、操作简便，被经常采用。2、拨码盘输入接口设计（续1） 单位拨码盘的电路由下图表示：拨码值 输出8421码 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 9 1001b）单位拨码盘接口单片（位）拨码盘接口：数字读入程序：MOV P1，#0FFhMOV A，P1ANL A，#0FH这样该位拨码盘所拨的十进制数对应的BCD码就存在累加器A 中（低四位）如果多位拨码盘采用这样的接口方式就需要很多口线。试问如果有4位拨码盘需要多少根口线？c）多片（位）拨码盘接口： 首先认识到下面两张图输出信号的区别（左图输出BCD码的反码）(右图不管拨在什么

10、数输出都是1111）：采用动态读入方式：读数程序MOV R0,#30HMOV P1,#7FH ; P1.7=0MOV A, P1SWAP AMOV R0, A ;千位值送30H的高4位MOV P1，#0BFH ；P1.6=0MOV A，P1XCHD A，R0 ;百位值送30H的低4位INC R0. 下面只要将7FH改成0DFH，0BFH改成0EFH，重复上面第二条指令开始的程序就可完成十位和个位的读数程序，把它们存在31H单元中。 3、键盘输入接口设计多个按键构成键盘，键的组成形式为矩阵形式。*每个按键在行列的节点处，*键闭合时把列线（或行线）状态传给行线（或列线）。*行和列接入计算机要规定计

11、算机口线的输入和输出线，有上拉电阻的线为输入线。*接成矩阵式键盘计算机对键盘状态读入方式为动态扫描方式。a）键盘的接口 采用单片机的I/O口线或扩展的I/O芯片（如8255、8155、8279等）的口线，作输入输出口线。下图P1.0P1.3 作输入线读入键的状态， P1.4P1.7作输出线输出扫描信号。b）键盘的动态扫描原理 扫描 - 给相应的输出线送“0”1）全扫描 判断是否有健按下，给全部输出线送“0”。 如给P1.4P1.7输出0000 则只要键盘上有键按下， P1.0P1.3就必有“0”信号出现。2）逐行逐列扫描 轮流给各条输出线送“0”，判断哪个键按下。c）键盘键的判定原理给键编号键

12、值编号有规律行号+列首键号=键值 （行作输入线） 列号+行首键号=键值 （列作输入线） d）键的输入程序的功能1）全扫描 判定是否有键按下2）逐行逐列扫描 根据键的判定原理计算获得键值3）消除键抖动 采用软件消抖方法（延时程序大约10-20毫秒左右）延 时以后，再判定结果未变，即确认该键按下。4）键的单次响应 保证按键一次计算机仅响应一次。等待键释放以后再进入 键处理程序。e）键盘输入程序框图KEYS：ACALL KS1 ;全扫描 JNZ KEY1 ;逐个扫描KEY0：RETKEY1：ACALL KS2 MOV 20H，A ACALL DL10 ACALL KS2 CJNE A，20H，KEY

13、0;出错KEY2：ACALL KS1 ;判断释放 JNZ KEY2 ACALL DL10 ACALL KS1 JNZ KEY2 RETf）键盘输入程序框图(续）KS1： MOV P1，#0FH MOV A， P1 ORL A， #0F0H CPL A RETKS2： MOV P1，#0EFH ；P1.4=0 MOV 21H，#00H MOV A，P1 ORL A，#0F0H CPL A JNZ KS20 ；零列有键闭合 MOV P1，#0DFH ；P1.5=0 MOV 21H，#04H KS20：ADD A，#03H MOVC A，A+PC ADD A，21H ；2字节 RET ；1字节DB

14、0ffH,00H,01HDB 0ffH,02H,0ffHDB 0ffH,0ffH,03H ；A输入值为1,2,4,8本节主要学习内容：一、人机接口的特点二、人机接口中设备及信号形式三、人机接口的输入接口设计方法四、人机接口的输出接口设计方法重点掌握典型人机接口输入/输出接口的设计方法第二节 人机接口设计四、人机接口的输出接口设计常用的显示设备有LED指示灯、蜂鸣器需要二值量信号。LED数码显示器需要数字量信号。特点是需要驱动环节。1、人机接口输出接口中的环节 1）计算机的接口 或接口芯片输出需要的逻辑电平 2）经电平转换变成输出设备所需的工作电平 3）功率放大或称驱动给出设备所需的电流2、LE

15、D数码管的接口设计 a）LED数码管的工作原理 是由多个LED发光元件按共阴、共阳形式连接而成。 按确定的显示代码点亮相应的段，从而组成字符的。显示代码又称为段选码。如使共阴数码管亮出2，显示代码为5BH。b）LED数码管的显示方式 两种显示方式：静态显示和动态显示（动态扫描显示） 静态显示多位数码管同时工作，亮度大稳定，但需要用 计算机较多口线或硬件电路。用在数码位数较少的场合。 动态显示各个数码管轮流工作，需要的接口较少，是目 前常采用的方法。c）LED数码管的动态显示接口方式（1）动态显示原理及段选和位选 多位数码管用于显示多位十进制数采用动态扫描显示，即各管轮流显示需要位选和段选协调工

16、作。 段选负责点亮各位数码管相应段 位选负责把段选码显示在所选的位上，位选码也就是扫描码（轮流选中各位） 显示时间轮流显示每位的显示时间，t1一般为12毫秒,t2时间确定要使人眼产生视觉暂留，使显示看起来是稳定的，一般选在20毫秒以内。c）LED数码管的动态显示接口方式（续1） （2）驱动 数码管需要一定的工作电流才能发光，一般小型数码管每段的电流小于20毫安，而单片机I/O口的输出电流达不到要求，需要驱动。数码管的总电流就更大，因为它是各段电流的汇集端，如果按20毫安的段电流，8个段全点亮，位电流有160毫安。 常用的驱动电路有：三极管、集成电路驱动芯片如7407、7406（反向）、7545

17、1、75452（反向）、74LS244、74LS245等。（3）接口形式-位选输出接口和段选输出接口 需要两个输出口采用单片机或扩展的I/O口芯片提供的输出接口，下图是采用多功能接口芯片8155 的A口作位选输出口，B口作段选输出口，7407作段驱动，75452作位驱动，因为位电流是各段电流总和，驱动电流要大。（3）接口形式-位选输出接口和段选输出接口（续）采用扩展8255A的数码管动态接口（4）动态扫描显示程序程序准备：1）确定显示缓冲区 显示缓冲区用于存放需要显示的数，一般每位数码管固定对应一个存储单元。比如根据图3-17扩展8155作接口，有6位数码管，从个位到十万位，显示缓冲区在51系

18、列单片机内部RAM的 30H-35H 6个单元中，30H的数显示在个位数码管，依次35H的数显示在十万位上。2）显示代码 显示的数要经一定方法转换成显示代码才能输出给数码管。动态扫描程序一般把显示代码根据接口电路确定后，按照数码顺序建立一个常数表格，程序中根据要显示的数码查表获得显示代码。3）显示时间 编程前确定显示时间，编制好延时子程序供调用。程序功能框图：XS：MOV DPTR，#7FF8H MOV A，#03H MOVX DPTR,A MOV R0,#30H MOV R1,#01H MOV A,R1XS1:MOV DPTR,#7FF9H MOVX DPTR,A MOV A,R0 MOV

19、DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#7FFAH MOVX DPTR,A ACALL DL1 INC R0 MOV A,R1 JB Acc.5，XS2 RL A MOV R1，A SJMP XS1XS2：RETTAB：DB 3FH，06H DB 5BH，4FH DB 66H，6DH DB 7DH，07H DB 7FH，6FH 3、其它显示形式前面讲的是LED数码显示，实际应用中还有其它显示器件。比如LCD数码显示、LED和LCD点阵图形显示、CRT显示器等。目前LCD显示器件一般都将接口和显示器集成在一起，设计人员只要把它们作为一块接口芯片使用。人机接口总结重要知

20、识点：人机接口的特点专用性、慢速性、高性价比开关量输入接口电平转换拨码盘输入接口动态读数电路键盘接口键盘组成、键号确定、输入输出线、键的全扫描、键的逐行逐列扫描求键值、键的消抖方法、键的单次响应开关量输出接口电平转换、驱动LED数码管接口数码管动态显示原理、接口电路、显示代码产生、显示程序流程图。实际人机接口例键盘和显示综合接口：第三章 信息接口设计 本章主要学习内容：第一节 接口概述第二节 典型人机接口设计方法第三节 典型机电接口设计方法重点了解典型人机接口和机电接口设计方法本节主要学习内容：一、机电接口的特点二、机电接口中设备及信号形式三、机电接口的输入接口设计方法四、机电接口的输出接口设

21、计方法重点掌握典型机电接口输入/输出接口的设计方法第三节 机电接口设计一、机电接口类型及其特点机电接口连接机械系统和控制器（计算机），是机械系统和计算机之间的信息交换接口。计算机的控制指令要通过接口输出给执行元件驱动机械系统工作；反映机械系统状态的传感器的输入信号要经输入接口输入计算机。机电接口总的分两大类：信息采集接口（采集传感器信号）、控制量输出接口（控制执行元件）机电接口的特点： 由于机械系统的多样性，机电接口也较为复杂，总的归纳为以下几点：1）接口信号多样性 由于传感器和执行元件种类多，信号形式也多。2）接口需要精确性 对传感器信号的采集接口是检测回路，有要求的精度；对执行元件的控制也

22、要有精度要求。3）需要抗干扰设计 传感器信号微弱容易引入干扰，控制输出接口的控制对象往往是大功率电磁设备，是干扰源。4）接口功率大 控制输出接口大多要进行功率接口设计。 本节主要学习内容：一、机电接口的特点二、机电接口中设备及信号形式三、机电接口的输入接口设计方法四、机电接口的输出接口设计方法重点掌握典型机电接口输入/输出接口的设计方法第三节 机电接口设计二、机电接口的输入输出设备（元件）及其信号类型1、机电接口的输入设备（传感器）及其信号类型(1) 传感器 点位传感器（行程开关、接近开关等）、各种连续信号的物理量传感器（测量力、温度、压力、小位移等）、各种脉冲量传感器（测量大位移、转角、转速

23、等）光电开关霍尔传感器加速度传感器(2)传感器的信号类型点位传感器（行程开关、接近开关等）工作状态仅为通、断两种状态，因此为二值量信号。连续信号的物理量传感器给出的是连续信号，称作模拟信号。各种脉冲量传感器（光栅和光电编码盘）输出的是脉冲信号，或经过整形后是脉冲信号。(3)机电接口的对象-执行元件 机电接口所要连接的设备（执行元件）有：电磁阀、继电器、电动机（直流电机、交流电机、步进电机）等。（4）执行元件所要求的信号形式 执行元件的信号形式是指计算机输出什么信号才能使执行元件工作。电磁阀、继电器、电磁铁需要二值量信号。步进电机需要脉冲信号。比例电磁铁、比例电磁阀、直流电机需要模拟量信号。计算

24、机控制系统 (离散控制系统)本节主要学习内容：一、机电接口的特点二、机电接口中设备及信号形式三、机电接口的输入接口设计方法四、机电接口的输出接口设计方法重点掌握典型机电接口输入/输出接口的设计方法第三节 机电接口设计三、机电接口的输入接口设计1、行程开关、接近开关类输入接口设计 （二值量信号接口） 接口设计的内容：开关的状态转换成电信号、电平匹配、信号隔离（抗干扰）、接口口线确定、信号输入程序设计。 a）开关状态转换成电信号b）电平匹配输入计算机口线的信号电平是有一定要求的，对采用5V电源的计算机电路，输入的高电平（也就是逻辑“1”）基本在2-5V，低电平（逻辑“0”）在0V-2V。因此，输入

25、计算机电路的信号必须转换成在上述范围内。 c）信号隔离 行程开关、接近开关都是安装在机械运动件之间，测量运动位置的，因此容易引入干扰信号，特别易从电源地线引入干扰，因此，行程开关的电源和计算机电源要隔离，常用的隔离器件是光电耦合器。光电耦合器既可以作隔离器也可进行电平转换d）计算机口线确定输入单片机一般用途的I/O接口或扩展的I/O 芯片。e）信号输入程序信号输入程序和人机接口输入程序相同。2、模拟量输入信号接口设计 机电系统的传感器很多是输出模拟量，模拟量是不能直接输入计算机的，因为计算机只能处理数字量 。因此一定要把模拟量转换成数字量才能输入计算机。把模拟量转换成数字量的接口芯片称作A/D

26、转换器。 a)A/D转换芯片 种类：按转换原理：双积分式、逐次比较式等 按转换的二进制位数：一般有8、10、12、16位等 按数据输出方式：并行输出、串行输出 参数：1）分辨率-表示二进制最低位代表的相对值，如8位A/D转换器的分辨率为1/28。因此习惯上用A/D转换器的位数直接表达分辨率参数。 a）A/D转换芯片（续） 2）转换速度输入模拟量后到A/D转换器输出数字量所花时间的倒数，或用转换时间表示。双积分式的转换速度比逐次比较式慢得多。目前A/D转换的时间已经到了亚微秒 3）输入电压范围表示A/D转换芯片将把多大电压范围信号按其二进制位数转换。如8位A/D ：010V转换成00HFFH。一

27、般电压范围有0-5V、0-10V、5V、10V等。 4）转换精度表达转换误差，一般A/D转换的转换误差为1LSB（最低位）、1/2LSB。 A/D转换芯片和计算机的接口方法一般为三总线连接。如果是串行芯片按串行方式连接。b）A/D转换芯片ADC0809接口设计ADC0809芯片是8位A/D转换器，有8路模拟量输入通道，转换速度100次/秒，量程0-5V，转换精度1LSB（ 0.4%) 时钟范围50-800kHz。b）A/D转换芯片ADC0809接口设计CLOCK接外部时钟，可与单片机连接b）A/D转换芯片ADC0809接口设计b）A/D转换芯片ADC0809接口设计ADC0809和计算机的连接

28、IN0IN7 的口地址为7FF8H7FFFH机电一体化系统计或非门A/D转换程序 MOV DPTR，#7FFAH MOV A，#0FAH MOVX DPTR，A ACALL DLWT：JNB P3.3，WT MOVX A，DPTR MOV 40H，A RETA/D转换芯片种类很多，具体要根据所需的精度和速度选择合适的A/D芯片。机电一体化系统设计本节主要学习内容：一、机电接口的特点二、机电接口中设备及信号形式三、机电接口的输入接口设计方法四、机电接口的输出接口设计方法重点掌握典型机电接口输入/输出接口的设计方法第三节 机电接口设计四、机电接口的输出接口设计 根据机电输出接口执行元件的信号形式，

29、主要有二值量信号、脉冲量信号和模拟量信号。突出的特点是执行元件大多为功率器件，因此输出接口为功率接口，要采用功率器件。 1、数字量转换成模拟量（D/A） 计算机输出数字量利用D/A转换器，把数字量转换成模拟量，再经功率放大电路驱动执行元件。 a)D/A转换芯片 D/A转换芯片也有多种，转换原理有权电阻式梯形电阻式等；有不同的转换位数：8位、10位、12位、16位二进制数转换成模拟量；工作方式有直通、单缓冲、双缓冲； 转换结果大多电流，需要转换成电压，也有输出电压。 b）D/A 转换芯片DAC0832 是8位梯形电阻式D/A转换芯片，电流输出，电流稳定时间1微秒，具有直通、单缓冲、双缓冲三种工作

30、方式。b）D/A 转换芯片DAC0832 c）D/A 转换芯片DAC0832的接口方法1）直通方式c）D/A 转换芯片DAC0832的接口方法2）单缓冲3）双缓冲实现两片D/A转换器同步转换1# 和 2#DAC0832地址分别为 #0DFFH 和 #0BFFHORG2000HMOV DPTR, #0DFFH ;选中1#0832 (的输入寄存器）MOV A, #DataxMOVX DPTR, A ;Datax写入1#0832输入寄存器MOV DPTR, #0BFFH ;选中2#0832 (的输入寄存器）MOV A, #DatayMOVX DPTR, A ;Datay写入2#0832输入寄存器MOV DPTR, #07FFH ;选中1#和2#0832的DAC寄存器MO